《電子實習(xí)2》基于FPGA多功能數(shù)字鐘設(shè)計

1、江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 jiangsu university of science and technology nanxu college電子實習(xí)2基于fpga多功能數(shù)字鐘設(shè)計姓 名：學(xué) 號：.班 級：.指導(dǎo)教師：提交日期：2012 年 3 月摘 要本文介紹了利用eda技術(shù)自頂向下的設(shè)計方法,提出了一個多功能數(shù)字鐘的設(shè)計方案,采用verloghdl語言設(shè)計了數(shù)字鐘系統(tǒng)的各個模塊,在quartusii開發(fā)平臺下進行了編譯、仿真、下載,實現(xiàn)了基本計時顯示和設(shè)置、調(diào)整時間、鬧鐘和秒表功能。vhdl是very high speed integrated circuit hardware descrip

2、tion language的縮寫,意思是超高速集成電路硬件描述語言。對于復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計,它有獨特的作用。它的硬件描述能力強,能輕易的描述出硬件的結(jié)構(gòu)和功能。這種語言的應(yīng)用至少意味著兩種重大的改變：電路的設(shè)計竟然可以通過文字描述的方式完成；電子電路可以當作文件一樣來存儲。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,這種語言的效益與作用日益明顯,每年均能夠以超過30%的速度快速成長。本文介紹一種基于fpga的數(shù)字時鐘設(shè)計方法，簡要介紹了vhdl語言的一些基本語法和概念后,進一步應(yīng)用vhdl,在max+plusii 的環(huán)境下設(shè)計一個電子鐘,最后通過仿真出時序圖實現(xiàn)預(yù)定功能。電子鐘的時間顯示用到了七段數(shù)碼管(或稱七段顯

3、示器)的電路設(shè)計,內(nèi)部的時間控制輸出則用到了各種設(shè)計,包括：時鐘分頻模塊、計時模塊、按鍵模塊和顯示模塊四個部分。目 錄1 引言12 總體方案設(shè)計 x2.1 項目設(shè)計要點2.2 方案論述2.3 軟件介紹2.4 芯片介紹3 單元電路設(shè)計3.1 分頻模塊設(shè)計3.2 計時功能模塊設(shè)計3.3 計數(shù)模塊3.4 譯碼顯示模塊3.5 整點報時模塊4 系統(tǒng)功能及功能仿真4.1 系統(tǒng)功能4.2功能仿真各個模塊的仿真波形5 心得體會6 參考文獻附錄：完整實驗程序引言vhdl語言是一種標準化的硬件描述語言。設(shè)計者可以通過它編寫代碼,然后用模擬器驗證其功能,再將設(shè)計代碼綜合成門級電路,最后下載到可編程邏輯器件(cpld

4、,fpga)中來實現(xiàn)一個設(shè)計。由于vhdl語言具有支持大規(guī)模設(shè)計和再利用已有設(shè)計等優(yōu)點1,因此使用vhdl語言來設(shè)計數(shù)字鐘。本設(shè)計采用的vhdl是一種全方位的硬件描述語言，具有極強的描述能力，能支持系統(tǒng)行為級、寄存器傳輸級和邏輯門級這三個不同層次的設(shè)計；支持結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、行為三種描述形式的混合描述，覆蓋面廣，抽象能力強，因此在實際應(yīng)用中越來越廣泛。asic是專用的系統(tǒng)集成電路，是一種帶有邏輯處理的加速處理器；而fpga是特殊的asic芯片，與其它的asic芯片相比，它具有設(shè)計開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實時在線檢測等優(yōu)點。在控制系統(tǒng)中，鍵盤是常用的

5、輸入設(shè)備，系統(tǒng)應(yīng)當根據(jù)鍵盤的輸入來完成相應(yīng)的功能。因此，按鍵信息輸入是與軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的過程。根據(jù)鍵盤結(jié)構(gòu)的不同，采用不同的編碼方法，但無論有無編碼以及采用什么樣的編碼，最后都要轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的鍵值，以實現(xiàn)按鍵功能程序的轉(zhuǎn)移。1鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、定時啟閉電路、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備，甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此研究數(shù)字鐘以及擴大其應(yīng)用有著非?，F(xiàn)實的意義。2.總體方案設(shè)計2.1項目設(shè)計要點 （1）以數(shù)字形式顯示時、分、秒； （2）小時記數(shù)為24小時進制 （3）分秒進制為60

6、進制 （4）擴展功能：定時鬧鐘、整點報時2.2 方案論述 系統(tǒng)組成框圖，如下圖所示： 主體電路電路的兩種工作狀態(tài)如下圖所示：1.為正常時鐘模塊2.設(shè)置時間模塊控制按鍵用來選擇是正常計數(shù)還是調(diào)整時間并決定調(diào)整時、分、秒； 置數(shù)按鍵按下時，表示相應(yīng)的調(diào)整塊要加一；基準時鐘是1hz；計數(shù)器是對1hz的頻率計數(shù)；動態(tài)顯示模塊是對計數(shù)器的計數(shù)進行譯碼，送到數(shù)碼管進行顯示 。2.3 軟件介紹本設(shè)計采用quartus ii軟件編寫所需程序。quartus ii 是altera公司的綜合性pld開發(fā)軟件，支持原理圖、vhdl、veriloghdl以及ahdl（altera hardware descripti

7、on language）等多種設(shè)計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整pld設(shè)計流程。 quartus ii可以在xp、linux以及unix上使用，除了可以使用tcl腳本完成設(shè)計流程外，提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計方式。具有運行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點。 quartus ii支持altera的ip核，包含了lpm/megafunction宏功能模塊庫，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設(shè)計的復(fù)雜性、加快了設(shè)計速度。對第三方eda工具的良好支持也使用戶可以在設(shè)計流程的各個階段使用熟悉的第三方eda工具。 此外，quartus ii 通過和

8、dsp builder工具與matlab/simulink相結(jié)合，可以方便地實現(xiàn)各種dsp應(yīng)用系統(tǒng)；支持altera的片上可編程系統(tǒng)（sopc）開發(fā)，集系統(tǒng)級設(shè)計、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設(shè)計于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺。 maxplus ii 作為altera的上一代pld設(shè)計軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應(yīng)用。目前altera已經(jīng)停止了對maxplus ii 的更新支持，quartus ii 與之相比不僅僅是支持器件類型的豐富和圖形界面的改變。altera在quartus ii 中包含了許多諸如signaltap ii、chip editor和rtl viewer的設(shè)計輔助工具

9、，集成了sopc和hardcopy設(shè)計流程，并且繼承了maxplus ii 友好的圖形界面及簡便的使用方法。 altera quartus ii 作為一種可編程邏輯的設(shè)計環(huán)境, 由于其強大的設(shè)計能力和直觀易用的接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計者的歡迎。altera的quartus ii可編程邏輯軟件屬于第四代pld開發(fā)平臺。該平臺支持一個工作組環(huán)境下的設(shè)計要求，其中包括支持基于internet的協(xié)作設(shè)計。quartus平臺與cadence、exemplarlogic、 mentor graphics、synopsis和simplicity等eda供應(yīng)商的開發(fā)工具相兼容。改進了軟件的logicloc

10、k模塊設(shè)計功能，增添 了fastfit編譯選項，推進了網(wǎng)絡(luò)編輯性能，而且提升了調(diào)試能力。支持max7000/max3000等乘積項器件2.4 芯片介紹fpga是現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array）的簡稱，與之相應(yīng)的cpld是復(fù)雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device）的簡稱，兩者的功能基本相同，只是實現(xiàn)原理略有不同，有時可以忽略這兩者的區(qū)別，統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或cpld/pgfa。cpld/pgfa幾乎能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能cpu，下至簡單的74電路。它如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過

11、傳統(tǒng)的原理圖輸入或硬件描述語言自由的設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真可以事先驗證設(shè)計的正確性，在pcb完成以后，利用cpld/fpga的在線修改功能，隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路。使用cpld/fpga開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計時間，減少pcb面積，提高系統(tǒng)的可靠性。這些優(yōu)點使得cpld/fpga技術(shù)在20世紀90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時也大大推動了eda軟件和硬件描述語言hdl的進步。3fpga具有掩膜可編程門陣列的通用結(jié)構(gòu)，它由邏輯功能塊排成陣列，并由可編程的互連資源連接這些邏輯功能塊來實現(xiàn)不同的設(shè)計。fpga一般由3種可編程電路和一個用于存放編程數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲器sram組成。這3

12、種可編程電路是：可編程邏輯模塊（clb-configurable logic block）、輸入/輸出模塊（iob-i/o block）和互連資源（irinterconnect resource）。可編程邏輯模塊clb是實現(xiàn)邏輯功能的基本單元，它們通常規(guī)則的排列成一個陣列，散布于整個芯片；可編程輸入/輸出模塊（iob）主要完成芯片上的邏輯與外部封裝腳的接口，它通常排列在芯片的四周；可編程互連資源包括各種長度的連接線段和一些可編程連接開關(guān)，它們將各個clb之間或clb、iob之間以及iob之間連接起來，構(gòu)成特定功能的電路。3 單元電路設(shè)計3.1 分頻模塊設(shè)計系統(tǒng)需要1hz的頻率來驅(qū)動計時器，而實

13、驗箱上可提供多種不同的頻率，如系統(tǒng)時鐘20mhz和sw7提供的可選擇頻率，請根據(jù)需要自行選擇頻率，并進行分頻，形成1hz頻率。實驗程序分頻模塊process(clk) variable cnt: integer range 0 to 12000000; begin if(clkevent and clk=1) then if(cnt=12000000) then cnt:=0; clkin1=not clkin1; else cnt:=cnt+1; end if; end if; end process;process(clk) variable cnt: integer range 0 to

14、 12000; begin if(clkevent and clk=1) then if(cnt=12000) then cnt:=0; clkin2=not clkin2; else cnt:=cnt+1; end if; end if; end process;3.2 計時功能模塊設(shè)計計時模塊需對時、分、秒進行計數(shù)，其中小時位為24進制，分鐘和秒鐘位為60進制?？梢杂靡欢纬绦?qū)r、分、秒進行連續(xù)計數(shù)，也可以對時、分、秒的高位和低位分別計數(shù)。注意，如果采用連續(xù)計數(shù)方式，因為每位顯示時有高位和低位之分，所以需將十進制數(shù)據(jù)用bcd碼進行轉(zhuǎn)換后，才能輸出到七段數(shù)碼管上顯示。實驗程序process(

15、clk) variable cnt: integer range 0 to 6000000; begin if(clkevent and clk=1) then if(jiezou=0) then if(cnt=3000000) then cnt:=0; clk1=not clk1; else cnt:=cnt+1; end if; else if(cnt=6000000) then cnt:=0; clk1=not clk1; else cnt:=cnt+1; end if; end if; end if; end process; process(clk1,kaiguan) begin i

16、f(clk1event and clk1=1) then if(kaiguan=1) then temp=0; end if; if(kaiguan=0) then if(temp=25) then temp=0; else templiushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushuiliushui=

17、00000000; end case; end process; process(clkin1,mode,tiaofen,tiaoshi) begin if(clkin1event and clkin1=1) then co1=0;co2=0; if(mode=1) then if(sec0=1001) then sec0=0000; if(sec1=0101) then sec1=0000; else sec1=sec1+1; end if; else sec0=sec0+1; end if; if(sec1=0101 and sec0=1000) then co1=1; else co1=

18、0; end if; if(co1=1) then if(min0=1001) then min0=0000; if(min1=0101) then min1=0000; else min1=min1+1; end if; else min0=min0+1; end if; end if; if(min1=0101 and min0=1001) then co2=1; else co2=0; end if; if(co1=1 and co2=1) then if(hour0=1001) then hour0=0000; if(hour1=0010) then hour1=0000; else

19、hour1=hour1+1; end if; else hour0=hour0+1; end if; if(hour1=0010 and hour0=0011) then hour1=0000; hour0=0000; end if; end if; elsif(mode=0 and tiaofen=0) then if(min0=1001) then min0=0000; if(min1=0101) then min1=0000; else min1=min1+1; end if; else min0=min0+1; end if; elsif(mode=0 and tiaoshi=0) t

20、hen if(hour0=1001) then hour0=0000; if(hour1=0010) then hour1=0000; else hour1=hour1+1; end if; else hour0=hour0+1; end if; if(hour1=0010 and hour0=0011) then hour1=0000; hour0=0000; end if; end if; end if; end process; process(clkin2,sel) begin if(clkin2event and clkin2=1) then if(sel=111) then sel

21、=000; else sel=sel+1; end if; end if;3.3 計數(shù)模塊1.秒計數(shù)模塊該模塊框圖如圖4.9所示。模塊主要完成秒向分的進位，產(chǎn)生脈沖信號。圖3.9 秒模塊邏輯框圖核心程序如下：entity second isport（clk_1s : in std_logic;os : out std_logic）;end second;architecture sec_architecture of second isbegink1:process（clk_1s）variable count:integer range 0 to 100:=0;beginif rising_e

22、dge（clk_1s） thenif count=59 thenos=1;count:=0;elseos=0;count:=count+1;end if;end if;end process k1;3.4 譯碼顯示模塊該模塊完成對計數(shù)器編碼信息的譯碼工作，驅(qū)動數(shù)碼管則顯示相應(yīng)的數(shù)字。模塊組件如4.14所示。圖3.14譯碼顯示模塊組件核心程序如下：entity drive is port （clk:in std_logic;addr : in std_logic_vector（3 downto 0）; led : out std_logic_vector（7 downto 0）; end dri

23、ve; architecture behave of drive is signal sel:std_logic_vector（3 downto 0）; begin process（clk）begin selledledledledledledledledledledled=10111111; end case; end process; end behave;3.5 整點報時模塊該模塊能夠完成整點時的報時功能。即將至整點時，前四秒低音，最后一秒高音。該模塊在十二點三十分的時候，蜂鳴器響起音樂，持續(xù)一分鐘。模塊組件如圖4.17所示。圖3.17 整點報時模塊組件1.整點報時核心程序如下：if r

24、ising_edge（clk05s） thenif cnt=119 thencnt:=0;elsecnt:=cnt+1;end if;if mh=0101 and ml=1001 and（cnt=117 or cnt=115 or cnt=113 or cnt=111） then c=0;else c=1;end if;if mh=0000 and ml=0000 and （cnt=119 or cnt=0 or cnt=1）then d=0;else d=1;end if;end if;end process;a=clk1k and not（d）;b=clk05s and not（c）;sp

25、eaker=a or b;4 系統(tǒng)功能及仿真計數(shù)功能 該模塊的仿真波形如圖4.10所示。圖3.10 秒計數(shù)模塊波形仿真譯碼功能該模塊的仿真波形如圖3.15所示。圖3.15 譯碼顯示波形仿真5.小結(jié)與體會通過本次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中，讓我更進一步地熟悉有關(guān)數(shù)字電路的知識和具體應(yīng)用。學(xué)會了利用quarterii軟件進行原理圖的繪制，硬件描述語言vhdl的編寫，程序的仿真等工作。并能根據(jù)仿真結(jié)果分析設(shè)計的存在的問題和缺陷，從而進行程序的調(diào)試和完善。參考文獻：1eda技術(shù)與vhdl。2 王紫婷，吳蓉 ，張彩珍，eda技術(shù)與應(yīng)用，蘭州大學(xué)出版社，20033 潘松，黃繼業(yè)，eda技術(shù)實用教程，北京科學(xué)出版社

26、，20064 王開軍，姜宇柏，面向cpld/fpga的vhdl設(shè)計，機械工業(yè)出版社，20075 畢滿清，電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計，機械工業(yè)出版社，20056 呂思忠，數(shù)子電路實驗與課程設(shè)計，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，20017 謝自美，電子線路設(shè)計、實驗、測試，華中理工大學(xué)出版社，2003附錄：完整實驗程序 1）主程序模塊：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity szz isport(clk:in std_logic; md1:in std_logic; md2:in std_lo

27、gic_vector(1 downto 0); speak:out std_logic; h1,h2,m1,m2,s1,s2:out std_logic_vector(3 downto 0);end szz;architecture one of szz issignal hou1:std_logic_vector(3 downto 0);signal hou2:std_logic_vector(3 downto 0);signal min1:std_logic_vector(3 downto 0);signal min2:std_logic_vector(3 downto 0);signal

28、 seth1:std_logic_vector(3 downto 0);signal seth2:std_logic_vector(3 downto 0);signal setm1:std_logic_vector(3 downto 0);signal setm2:std_logic_vector(3 downto 0);signal sec1:std_logic_vector(3 downto 0);signal sec2:std_logic_vector(3 downto 0);begin-小時十位h110:process(clk,hou2,min1,min2,sec1,sec2,md1,

29、md2)beginif clkevent and clk=1 thenif (hou1=0010 and hou2=0011)and(min1=0101 and min2=1001) and (sec1=0101 and sec2=1001) thenhou1=0000;elsif hou1=0010and hou2=0011and md1=0 and md2=01 then-當時間為23點且處于校時狀態(tài)時hou1=0000;elsif (hou2=1001and(min1=0101 and min2=1001) and (sec1=0101 and sec2=1001)or (hou2=10

30、01and md1=0 and md2=01) thenhou1=hou1+1;end if;end if;end process h110;-小時個位h220:process(clk,min1,min2,sec1,sec2,md1,md2,hou1)beginif clkevent and clk=1 thenif (hou1=0010 and hou2=0011)and(min1=0101 and min2=1001) and (sec1=0101 and sec2=1001) thenhou2=0000;elsif hou2=1001and(min1=0101 and min2=1001

31、) and (sec1=0101 and sec2=1001) thenhou2=0000;elsif (hou2=1001and md1=0 and md2=01)or (hou1=0010and hou2=0011) thenhou2=0000;-md=1;elsif (min1=0101 and min2=1001) and (sec1=0101 and sec2=1001)or (md1=0 and md2=01) thenhou2=hou2+1;-speak=clk;end if;end if;end process h220;-分鐘十位m110:process(clk,min2,s

32、ec1,sec2,md1,md2)beginif clkevent and clk=1 thenif (min1=0101 and min2=1001) and (sec1=0101 and sec2=1001) then min1=0000;elsif min1=0101and min2=1001and (md1=0 and md2=00)thenmin1=0000;elsif (min2=1001and (sec1=0101 and sec2=1001) or (min2=1001and md1=0 and md2=00)thenmin1=min1+1;end if;end if;-end

33、 if;end process m110;-分鐘個位m220:process(clk,sec1,sec2,md1,md2)beginif clkevent and clk=1 thenif min2=1001and (sec1=0101 and sec2=1001)thenmin2=0000;elsif min2=1001and (md1=0 and md2=00)thenmin2=0000;else if (sec1=0101 and sec2=1001) or(md1=0 and md2=00)thenmin2=min2+1;end if;end if;end if;end process

34、 m220;-秒十位s110:process(clk)beginif clkevent and clk=1 thenif (sec1=0101 and sec2=1001)thensec1=0000;else if sec2=1001thensec1=sec1+1;end if;end if;end if;end process s110;-秒個位s220:process(clk)beginif clkevent and clk=1 thenif sec2=1001 thensec2=0000;else sec2=sec2+1;end if;end if;end process s220;-時

35、間設(shè)置小時部分sethour1:process(clk,seth2)beginif clkevent and clk=1 thenif seth1=0010and seth2=0011 thenseth1=0000;elsif seth2=1001 thenseth1=seth1+1;end if;end if;end process sethour1;-sethour2:process(clk,md1,md2,seth1)beginif clkevent and clk=1 thenif (seth1=0010and seth2=0011)or seth2=1001thenseth2=000

36、0;elsif md1=1 and md2=00 thenseth2=seth2+1;end if;end if;end process sethour2;-時間設(shè)置分鐘部分setmin1:process(clk,setm2)beginif clkevent and clk=1 thenif setm1=0101and setm2=1001thensetm1=0000;elsif setm2=1001thensetm1=setm1+1;end if;end if;end process setmin1;-setmin2:process(clk,md1,md2)beginif clkevent

37、and clk=1thenif setm2=1001thensetm2=0000;elsif md1=1 and md2=01thensetm2=setm2+1;end if;end if;end process setmin2;-鬧鈴speaker:process(clk,hou1,hou2,min1,min2)beginif clkevent and clk=1thenif seth1=hou1 and seth2=hou2 and setm1=min1 and setm2=min2 thenspeak=clk;else speak=0;end if;end if;end process

38、speaker;-disp:process(md1,hou1,hou2,min1,min2,sec1,sec2,seth1,seth2,setm1,setm2)beginif md1=0 then-計時時間顯示和設(shè)置模式h1=hou1;h2=hou2;m1=min1;m2=min2;s1=sec1;s2=sec2;else -鬧鈴時間現(xiàn)實和設(shè)置模式h1=seth1;h2=seth2;m1=setm1;m2=setm2;s1=1111;s2=1111;end if;end process disp;end one;模塊一、library ieee;use ieee.std_logic_1164.

39、all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity notetabs isport(clk:in std_logic;speak:in std_logic;toneindex:out std_logic_vector(3 downto 0);end;architecture one of notetabs iscomponent musicport(address:in std_logic_vector(7 downto 0);clock:in std_logic;q:out std_logic_vector(3 downto 0);end component;signal counter:std_logic_vector(7 downto 0);begincnt8:process(clk,speak)beginif counter=138 then counter=00000000;elsif (clkevent and clk=1)then if speak=1 then counter